Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Таким путем, используя жидкий гелий, можно достичь температур, близких к абсолютному нулю. Жидкий гелий бесцветен, без запаха, имеет температуру кипения 4,2!6 К, его плотность 0,125 г/см». Его критические параметры следующие: Т„р — — 5,2 К; р,р — — 2,26 кгс/см» и критическая плотность у=0,069 г/см». Жидкий гелий при охлаждении не затвердевает, т. е.
не имеет при нормальных условиях температуры застывания. Затвердевание — застывание гелия возможно только при,повышенном давлении, примерно до 25,0 кгс/ем~. Прн охлаждении жидкого гелия до температуры 2,17 К гелий переходит в состояние гелий-11. Это состояние отличается «сверх- текучестью», практическая вязкость гелия-11 равна нулю. В этом состоянии жидкий гелий образует жидкую пленку, обволакивающую поверхность, с которой он соприкасается. В этих условиях на пленку в большей степени действуют силы прилнпания, чем силы тяжести, и гелий-11 способен вытекать лз сосуда, в котором он находится, если сосуд не закрыт крышкой. В состоянии гелий-11 очень затрудняется откачка паров жид кости из закрытого сосуда, так как образующаяся пленка интенсивно испаряется и при откачке паров можно вызвать полное испарение всей жидкости и удалить ее вместе с парами.
Для жидкого гелия понятие теплопроводности практически не существует — передача тепла по массе жидкости осуществляется мгновенно. Используя гелий в качестве охлаждающей жидкости, нужно иметь в виду, что практически температурный градиент в жидкости будет отсутствовать. С увеличением температуры вязкость жидкого гелия увеличивается, что совершенно противоположно свойствам всех других жидкостей, у которых вязкость с увеличением температуры падает.
Производственные возможности получения гелия затруднительны. Исходным сырьем является минерал клевит, распространение его о'раничено, и поэтому гелий является довольно дорогим продуктом. Более доступно получение гелия методом ректификацин из природных газов, где его содержание колеблется от 0,3 до 8 0% Жидкий гелий хранится и транспортируется в сосудах Дьюара с тройными стенками, внутренний промежуток между кото- 274 рыми вакуумируется, а наружный — заполняется жидким азотом. Гелий не токсичен, во дыхания не поддерживает, работать в атмосфере, насыщенной парами гелия, нельзя. Азот (Щ.
Азот' так же, как и гелий, используется в качестве хладагента и, как инертный газ,— для наддува систем питания жидкостных и ядерно-ракетных двигателей. Для наддува используется газообразный азот, а в качестве хладагента — жидкий Жидкий азот представляет собой бесцветную, без запаха, прозрачную, весьма подвижную криогенную жидкость. Температура кипения 77,34 К ( — 195,66'С), плотность при температуре кипения равна 0,863 кг/л, критическая температура 116,13 К ( — !56,87' С), критическое давление 33,49 кгс!см' н критическая плотность 0,311 кг/л.
Жидкий и газообразный азот в последнее время не считается абсолютно инертным веществом. Химическая активность азота проявляется в особых случаях и настолько мала, что в ракетной технике его надежно используют в контакте с весьма агрессивными и химически актнвиымя или взрывоопасными горючими. В качестве хладагента жидкий азот используется при сжнженни водорода и других компонентов топлива с меньшей степенью криогенности, например аммиака. Жидкий азот получается в результате разделения сжиженного воздуха на жидкий кислород и азот. Это разделение возможно нз-за разницы в температурах кипения — для воздуха она равна 81,5 К, для азота 77,34 К и для кислорода 90,15 К.
Разделение производится в ректификационной колонне, на которую подается жидкий воздух, стекая по колонне вниз, азот испаряется, а жидкий кислород собирается в нижней части колонны. Испарившийся азот дросселируется и сжижается. Газообразный азот может быть получен после отделения кислорода из сжиженного воздуха. Есть и другие пути получения газообразного азота, например, за счет ректификации природных газов, где его содержание часто достигает от 10 до 80%. Хранение и транспорт жидкого азота производится в специальных сосудах Дьюара или танках с вакуумной нли вакуум- порошковой изоляцией. Азот, как и гелий, не токсичен, но дыхания не поддерживает.
Жидкий азот при попадании на кожу может вызвать обмораживание, а прикосновение к стенкам неизолированных трубопроводов может вызвать прнмораживание и глубокие поражения кожных покровов. Д е й т е р и й (1)г) — изотоп водорода, имеющий массовое число 2 и одинаковый заряд; содержится в природном водороде в количествах 1/6400. Дейтерий с водородом образует двухатомное соединение НД, называемое водородный дейтерид. ю» 1яр мм рт. ст/=А+ — +СТ, В т где константы А, В и С выбираются в соответствии с табл.
7.4. Таблица 7.4 Состояние Вид дейтерия — 58,4619 — 68,0782 — 58,444 — 67,9119 4,7312 5,1626 4,7367 5.!623 0,02671 0,03!!О 0,02670 0,03102 Жидкое Твердое Жидкое Твердое Нормальный дейтерий 166,7$ ортодейтерия) Равновесный дейтерий нри 20,4 К (98% ортодейтерия) Теплота парообразования дейтерия и дейтерида для температур, близких к температуре кипения, может быть принята такой, как указано в табл. 7.5. 276 Природный водород состоит из смеси молекул Нт и НД в соотношении 3200: !. Для получения дейтерия необходима определенная концентрация соедннени)) НД и затем, выделение дейтерня. Концентрация' дейтерида технически возможна за счет и- пользования разности упругости паров водорода и дейтерида.
Для нормального водорода при температуре кипения (20,4 К) давление упругости пара равно 760 мм рт. ст., а давление паров дейтерида в этом случае составляет только 438 мм рт. ст. Первые установки по промышленному получению дейтерия из водорода методом низкотемпературной ректнфикации были осуществлены в нашей стране вскоре после Отечественной войны, о чем было доложено на П-й конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве в 1958 г. Физико-химические свойства дейтерия н его константы, как мы уже видели, несколько отличаются от водорода.
При температуре кипения жидкий водород содержит 99,79% параводорода и 0,21% ортоводорода, а дейтерий при температуре 20,4 К содержит 98% ортодейтерия и 2,0% парадейтерия. При высокой температуре равновесный состав дейтерия состоит из 2/3 ортодейтерия и 1/3 парадейтерия. Орто-пара состав влияет на такие константы, как упругость пара, плотность, температуру и давление в тройной точке. Переход из одного состояния в другое происходит медленно при низких температурах. В случае большой разницы температур необходимо использование катализаторов.
Давление упругости пара для дейтерия можно подсчитать по уравнению Таблица 7.5 Темпера- тура, К г, кал/моль ть мкп Вещество 420 19,7 22,5 20,0 302,3 257,0 338,65 Дейтерий Дейтерид Водород 142 Дейтерий используется как горючее для производства водородной бомбы, как меченый атом в химии, медицине и технике.
Будет использоваться как горючее для управляемых термоядерных реакций. В ядерно-ракетных двигателях дейтерий может использоваться в качестве замедлителя нейтронов. Дейтерий, как и водород, не токсичен. Хранение н транспорт жидкого дейтерия производится так же, как и водорода. Т я ж е л а я в о д а (РаО). В ядерно-ракетных двигателях тяжелая вода используется для замедления нейтронов, она имеет одинаковый с дейтерием коэффициент замедления. Внешне тяжелая вода — прозрачная, бесцветная жидкость с температурой плавления +8,8' С, температура кипения + 101,4' С и плот- вость у=1,!08 г/сма.
Промышленное получение тяжелой воды осуществляется методом электролиза и поэтому требует значительных запасов электроэнергии. Один литр тяжелой воды получают в результате обработки 165 т обычной воды. Для такой обработки расходуется от б до б тыс. квт-ч электроэнергии. Тяжелая вода в отличие от обычной воды не разлагается на водород и кислород поддействием радиоактивного облучения. В тяжелой воде, используемой в ядерно-ракетных двигателях, не должно быть растворенных азота, кислорода и водорода, дающих в результате облучения ряд соединений с образованием аммиака, азотной кислоты, вызывающих усиленную коррозию систем, по которым циркулирует такая вода.
Тяжелая вода жизненных процессов не поддерживает. Считается, что тяжелая вода в больших количествах ядовита. ПРИЛОЖЕИИЕ Таблица 7 Значения нв уг и р, для некоторых топлив прн а= 1,0 Топливо тг кг/л горючее окислитель 61,73 62,89 58,14 43,48 60,24 63,29 93,46 95,24 81,30 52,08 67,204 32,36 35 „46 37,88 37,59 32,05 36,5 23,42 Оз Огж Ог Ог Огж Ог Огж гзж ДМГ МзН4 ВзНв МНз сн с,н Нгж 41нз 12,06 29,59 278 нмо НМОз НМОз НМОз НМОз НМОз МО Мз04 Мгоз МО МО МО Огж Озж Озж Су, ю Нгз, гв Тонка ДМà — 44снз)гМгнг МгН4 ВзНз с н Тонка 'ДМГ МН ВзНз Аэрозин 75з СзН,ОН 98' СгНзОН Сг,ы Нгзлв 5,56 4,88 3,51 1,65 4.38 5,43 4,85 4,26 3,06 1,44 1,849 2,249 1,562 2,042 3,376 2,131 0,998 3,043 1,412 3,07 3,294 8,000 3,353 1,323 1,316 1,239 1,256 1,238 1,321 1,287 1,282 1,205 1,228 1,!1 1.2124 0,997 0,992 1,062 0„999 1,070 0,95 0,89 1,148 1,06 0,423 1,179 Продолжение Топливо ут кг/л горючее окислитель 2,533 1,2 ДМГ 0,745 19 20,00 н рвнс 1,3!б 2,375 36,10 2,488 1,148 42,73 ВзНз 1, 309 3,912 1,271 3,6 ДМГ Таблица 2 Основные параметры некоторых топлив ут~ г/смз / , и/с Топливо 2800 1,56 Кислород+ 75% -н ы й спирт 0.99 этиловый 3150 3,35 Кислород+керосин Кислород+НДМГ К|ислород+водород прн а=0,75 Кислородц-водород при п=0,4 Фтор+диэгиламин Фтор+гидразин Ф тор+ аммиаки Азотная кислота +керосин Азотная кислота+НДМГ АК-27+керосин Азотный тетраксид+НДМГ 1,05 3300 З,б 1,00 40?О 0,35 8,1 4370 0,26 8,1 1,24 4170 2,4 3620 1,2 3770 3,36 1,2 2710 1,3 2,25 3060 1,3 2800 5,2 1,25 3160 1,3 3,2 279 * Удельный импульс тяги соответствует давлению в камере не более 100 кгс/сме и давлению на срезе сопла, равному ! кгс/си'.
Плотность подсчитана при условиях жидкого состояния компонентов. (онвоеэХ) .(оеИ м чсэончеасивсэв.((с +++++++++++ (онвоеэ.() чьэонлиэмо), (онвоеэ.() чээомиосэ иенноиеосЫо)( о о ч +++++++++а + чеон/еемм 'нинеиоеес( -ровс(ен еэоеиа1 ис О иэиэйсиэси со са сэ сч сч иэ «э иэ с с' э о» иэ с О> «и сч:а сч сч с' о ы !"'.! ! ( О СЧ СО О чеон/еемм 'нин -аенееи есоеиа), Ч сч со.с сосьОиэО"-ОО ОйиэсоОэсьсчдч'О с' Ф сь ) ) сь й о й и О и а о а ! ф О Ю О СЧ со -а 'с' сэ СЧ «'О сэ )( нэ/нив 'чсэон -Новос(иоеиад, 1д! О с о й и о и а сч со с- 1.« сь СЧ СЧ О О иэ и: О СО СЬ сь О О с сь ! цэ 'чхэомеия о СЧ о» со со со д со ~ д д я с сь О О О О О О О О сь СЧ О О О )(.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
